基于无人机的水质监控采样一体化系统初探

吴永兵（仪征市环境监测站，江苏 仪征 211400）

基于无人机的水质监控采样一体化系统初探

吴永兵（仪征市环境监测站，江苏 仪征 211400）

基于无人机的水域水质监控采样一体化系统，可以对水体水质和突发水污染等进行巡航监管，综合运用航拍和水质监测等手段，严密监控各监控断面、取水口、排污口等重要水域目标处的水质状况和污染物排放状况，并根据需要现场采集和留存水样，该系统还能通过人机互动，快速将水质状况和水域污染状况等信息推送给手持移动终端，为突发水污染应急响应和管理提供决策支持平台。

无人机；大型水域；水质监控；采样；遥感系统；一体化

目前，我国大型水域的水质监测系统由固定断面监测、在线监测站监测、浮标系统监测等组成，基本能够满足水质常规例行监测和应急检测方面的需求[1]。然而，大型水域水面面积大、水质安全保障要求高、现有断面例行取样监测能够准确获取水质信息，但存在灵活性差，采样检测间隔时间长，对水质突变以及突发水污染等存在迟滞性检测甚至漏测等缺点。

在电子与航空技术飞速发展的推动下，无人机在国土监测、物流、环境监察等民用领域的应用日益得到重视，相关技术日渐成熟。目前，借助视频传输和航拍等技术，无人机在环境应急监测领域的应用越来越广。无人机环境监测主要集中在两方面，采用无人机对水污染范围、垃圾分布范围、烟囱废气排放状况等进行调查；通过搭载环境空气监测仪器，进行气体或颗粒物浓度监测[2]。

1 设计方案

一种基于无人机的大型水域水质监控采样一体化系统，包括无人机、地面测控中心和手持移动终端，无人机搭载有空中拍照单元、空中摄像单元、飞行控制单元、水质监测单元、空中测控中心和水样采集单元，空中拍照单元、空中摄像单元、飞行控制单元、水质监测单元和水样采集单元与空中测控中心相连，空中测控中心与地面测控中心通信连接，地面测控中心与手持移动终端通信连接。其中，无人机采用螺旋翼无人机或直升机无人机；水质监测单元根据需要搭载各种直接获取水质数据的水质监测传感器，传感器的探头采用硬质外壳保护，外壳采用折叠式设计，以便在监测时能够自动伸缩，快速接触水体或收入机舱；水样采集单元搭载水样采集器，水样采集器上安装一定数量的硬质塑料采样瓶和与硬质塑料采样瓶连接的伸缩杆；手持移动终端为智能手机或平板电脑。

2 系统构建介绍

图1 无人机监控采样一体化系统示意图

图中：1—无人机，2—无人机降落架，3—无人机飞行横臂，4—螺旋桨，5—空中拍照单元，6—空中摄像中心，7—飞行控制单元，8—空中测控中心，9—水样采集单元，10—水质监测单元，11—地面测控中心，12—手持移动终端，13—无人机降落架连接杆，14—水质监测传感器，15—采样瓶。

（1）无人机：是整个水质监控采样系统的载体。根据水质监控采样的任务需求，无人机可选用多旋翼(如4旋翼、8旋翼等)无人机或直升机无人机，无人机的巡航载重＞20kg、起降抗风能力＞5级、升限＞2000m、带最大任务载荷巡航时间＞2h。

（2）空中拍照单元：：主要用于水面拍照成像，可根据需要搭载红外相机、高分辨率照相机、多光谱扫描相机等拍照设备。无人机沿着规划路径巡航各监测断面、取水口或排污口等水质监控目标时，空中拍照单元依据空中测控中心的指令，自动切换拍照模式，重点扫描和拍照水面的颜色、气泡和漂浮物等，并将拍摄照片传至空中测控中心。

（3）空中摄像单元：可根据需要搭载摄像头、彩色摄像机和红外热成像摄像机等视频监控设备。空中摄像单：在空中测控中心的指挥下，对水面状况进行视频监控并全景接入，实时获取视频监控信息，监测水华、溢油等水质污染事件的发生发展状况。空中摄像单元获得的视频数据传回空中测控中心。当出现突发水污染时，地面测控中心可以利用空中摄像单元实时指导污染事件应急处理，并通过空中测控中心调整摄像单元的监控重点。

（4）飞行控制单元：搭载有GPS系统、计算机、传感器、伺服作动等飞控设备，确保无人机飞行姿态的稳定与控制。当无人机在执行水质监控巡航或采样等任务时，飞行控制单：接收空中测控中心的指令，控制与调整无人机飞行姿态，如巡航路线、飞行高度、速度、悬停等。对水质监控来说，飞行控制单元7需要将无人机调至满足拍照或摄像的分辨率要求的姿态。对水质采样来说，飞行控制单元需要将无人机的飞行高度调整至离水面1-2m处，并维持一定的悬停状态。

（5）水质监测单元可根据需要搭载各种水质监测传感器，监测NH4-N、PO43-、COD、DO、pH、TN、TP、浊度、温度、叶绿素a以及水质综合毒性等。集成在无人机上的水质监测传感器的探头采用硬质外壳保护，外壳采用折叠式设计，以便在监测时能够自动伸缩，快速接触水体或收入机舱。水质监测获得数据传回空中测控中心。

（6）水样采集单元：用于例行水质采样或突发水污染时应急采样。水样采集单元：搭载水样采集器，水样采集器上安装一定数量的硬质塑料采样瓶(容积100mL)和与硬质塑料采样瓶连接饿伸缩杆等。当无人机到达目标采样水域时，水样采集单元在空中测控中心指挥下，弹出水样采集器、拉伸伸缩杆，将采样瓶置入水面以下。采样完毕后，空中测控中心指挥水样采集单元，折叠伸缩杆，收回水样采集器，密封采样瓶。

（7）空中测控中心：是无人机水质监控采样的空中指挥中枢。空中测控中心预装了监测水域的地形图，根据监测水域水功能区划分状况、水质监控断面设置状况、重要取水口、排污口等规划预设了无人机巡航路径。无人机执行任务时，空中测控中心指挥空中拍照单元、空中摄像单元、飞行控制单元、水质监测单元、水样采集单元等完成水面监控、水质监测与取样等系列任务。空中测控中心还是重要的数据存储与发送基地，对空中拍照单元、空中摄像单元和水质监测单元获得图片、影像和监测数据进行存储，并通过无线通讯网络Wi-Fi和4G等连接地面测控中心，将数据发回地面测控中心进行深入分析和处理。地面测控中心还可以通过空中测控中心修改无人机水质监控采样的任务内容，以及指挥管理无人机的飞行。

（8）地面测控中心：是无人机水质监控采样系统的决策控制平台，可以人为的修订和调整无人机的水质监控采样任务。地面测控中：通过无线通讯网络连接空中测控中心，对空中测控中心传输的水质监测数据、视频和图片等信息进行分析和处理，获得高精度影像资料和水质监测数据。为水质调查评估、突发水污染应急处理提供必要的数据资源。当出现突发水污染时，地面测控中心是重要的应急指挥平台，指挥空中测控中心，利用空中摄像单元对现场实时全景接入，针对污染现场状况做出科学合理的处理方案。

（9）手持移动终端主要指智能手机、平板电脑等电子设备，手持移动终端与地面测控中心通过无线通讯网络相连。手持移动终端内安装了用于水质监管的应用软件，地面测控中心也安装，用户可以利用手持移动终端随时查询最新的水质监测数据、图片和视频。当出现突发水污染时，地面测控中心会第一时间将污染信息推送给手持移动终端，以便水质监管人员知情并采取应急措施。

3 结语

（1）将水质监控设备集成于无人机，利用无人机的机动、快速、灵活、服务范围大等优点，有效覆盖大型水域，同步实施水面拍照摄像和水质数据的现场监测，通过照片、视频和监测数据全方位掌握目标水域的水质状况。该系统能够优化现有水质监测站点布局、提高监测系统机动性、灵活性和快速反应能力。

（2）将水质采样系统整合到无人机上，利用无人机的优势对监测水域进行例行采样或突发水污染应急监测采样，极大提高了水样采集效率和环境污染应急监测能力。

（3）将移动终端与水质监控管理工作相结合，实现了人机互动和监测数据信息化，用户可以实时掌握无人机监控的水质状况，还可以借助无人机监控系统指导开展突发水污染应急处理。

[1]刘国洋，王宇，魏茂源，李楠.基于无人机技术的水质监测采样装置[J].电子测试，2016，(08)：23-24.

[2]曹雪娟，王森.无人机遥感影像在水利监测领域的应用[J].中国水利，2015，(04)：69-70.

吴永兵（1982-），男，本科，汉族，江苏仪征人，中级工程师，主要从事环境监测工作。